经颅电刺激综述

经颅电刺激（tES）是一种利用低强度的电流（一般为0-2mA）刺激大脑皮层的靶区域，调节大脑皮层神经元兴奋性、调节脑电波节律、促进神经重塑和修复、改善脑部供血的无创神经调控技术。自prior发现经颅直流电（tDCS）对大脑皮层的双向作用至今，经颅电刺激技术已经有了长足的发展，从单一的经颅直流电发展为包含经颅直流电（tDCS）、经颅交流电（tACS）、经颅脉冲电（tPCS）和经颅随机噪声（tRNS）在内的多种经颅电刺激技术。按照刺激电流的性质，可以将经颅电刺激分为经颅直流电刺激和经颅交流电刺激两大类。

经颅直流电刺激

经颅直流电刺激（tDCS）使用的是恒定直流电，电流的大小和方向都不变。tDCS 由阳极和阴极两个表面电极组成，以直流电作用于大脑皮质。与其他非侵入性脑刺激技术如经颅磁刺激不同，tDCS不是通过阈上刺激引起神经元放电，而是通过调节神经网络的活性而发挥作用。在神经元水平，tDCS 对皮质兴奋性调节的基本机制是依据刺激的极性不同引起静息膜电位超极化或者去极化的改变。阳极刺激通常使皮层的兴奋性提高，阴极刺激降则低皮层的兴奋性。其电流波形如下：

经颅直流电刺激

经颅交流电刺激

经颅交流电刺激包含经颅（正弦波）交流电刺激（tACS）、经颅脉冲电刺激（tPCS）和经颅随机噪声刺激（tRNS）三种。不同于直流电，交流电的电流方向是时刻变化的，因此不引起神经元细胞的超极化或者去极化的变化。但是交流电所独有的频率特性会影响神经振荡的节律，从而调节我们的神经活动。目前研究认为，tACS和tPCS是通过谐振来影响神经振荡的节律，而tRNS则是通过随机共振的原理来影响神经振荡节律。所谓的谐振，指的是当我们对大脑施加一个固定频率和强度的交流电时，神经元细胞或者细胞集群会受到影响，产生一种夹带作用，其放电频率逐渐靠近于我们所施加的这个频率交流电。而随机共振则是通过施加噪声，对弱信号的进行增强，使得原本不会被检测到的阈下刺激转变为阈上刺激。

　   　经颅脉冲电刺激     　   　　　经颅（正弦波）交流电刺激　      　        经颅随机噪声刺激

此外，除即刻作用外，tES同样具有刺激后效应，如果刺激时间持续足够长，刺激结束后皮质兴奋性的改变可持续达1 h。进一步的研究证实，tDCS除了改变膜电位的极性外，还可以调节突触的微环境，如改变NMDA受体或GABA的活性，从而起到调节突触可塑性的作用。tDCS 的后效应机制类似于突触的长时程增强，动物研究发现，以阳极刺激作用于运动皮层可观察到突触后兴奋性电位的持续增加。

高精度经颅电刺激

传统的经颅电刺激使用两个大的表面电极（通常为5cm*7cm）来向头部注入电流，产生的电场广泛分布在大脑的大片区域。而为了提高刺激的聚焦性，研究者提出了一种由五个直径小于12mm的小电极组成的高精度环形聚焦模型。

高精度电极

高精度经颅电刺激与传统两极经颅电刺激的不同之一是高精度经颅电刺激采用了一种新的montage，五个小电极以一个中心电极为圆心组成一个环形电流回路，四个周围电极环绕四周。圆心电极的极性与周围电极极性相反，电流只会由中心流向四周或者由四周流向中心（这取决于中心极的极性），这样电流就被限制在这个环形区域用，从而增加了刺激的聚焦性。

高精度（上）与两通道（下）montage

此外，对于直流电刺激而言，HD-tDCS与tDCS还有另外一个不同。传统的tDCS具有一个阴极和一个阳极，是双极性的，而HD-tDCS则是单极性的，这意味着整个环形区域只会产生阳极/阴极刺激（Villamar 2013）。因此，使用HD-tDCS时，只需要考虑刺激部位的中心电极属性而无需担心其他电极带来的影响。

高精度电刺激的单极性

为了验证高精度经颅电刺激的有效性和聚焦性，研究者设计了一个模型来模拟两种不同montage的电场分布情况。从图中我们可以看出，对于高精度经颅电刺激而言，电流的活动区域被限制在环形区域中，大脑活动的峰值出现在中心电极之下，而传统经颅电刺激电流分布相对弥散，峰值出现在电极之间而非电极下。因此高精度经颅电刺激在聚焦性和有效性上优于传统的两电极设计。

高精度与两通道经颅电刺激聚焦性对比

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